First-principles quantum transport methodology

My group develops computational frameworks for atomistic quantum transport calculations, including density-functional theory combined with scattering-state, Lippmann-Schwinger, nonequilibrium Green’s-function, and effective-medium/plane-wave approaches. These tools enable the calculation of current, conductance, thermal current, Seebeck coefficient, electronic thermal conductivity, shot noise, counting statistics, electron-phonon scattering, local heating, and current-induced forces.

Two-dimensional semiconductor nanoelectronics and thermoelectrics

My recent research focuses on gate-controlled Pt-WSe2-Pt and related two-dimensional TMD nanojunctions, where first-principles quantum transport, effective gate modeling, and atomistic thermal simulations are combined to understand contact resistance, subthreshold swing, thermionic emission, quantum tunneling, and thermoelectric optimization. These studies clarify when electron transport changes from semiclassical to quantum behavior as the channel length approaches the sub-10 nm regime, and how gate tuning can optimize electrical conductance, Seebeck coefficient, electronic thermal conductivity, and phononic thermal transport.

目前積體電路晶片的製作是建構在矽晶圓上，晶片的效能和電晶體的數目成正比。電晶體越做越小，晶片上容納的電晶體的數目愈多，CPU的運作愈快。摩爾定律(Moore‘s law）預測積體電路上可容納的電晶體數目，約每隔18個月便會增加一倍。隨著電晶體越做越小，電晶體的尺度漸漸像奈米尺度逼近，當電晶體的尺度縮小到奈米尺度時，電子的行為不再是半古典。此時，電子的量子力學的效應越來越重要，微電子學漸漸轉型至奈米電子學。為了讓摩爾定律延續到更小的元件尺度，我們實驗室探索新材料替換矽基材半導體製程的可能性。二維材料因為只有數層原子的厚度，很自然地被考慮成最有潛力取代矽的新材料。但是要取代矽製程，二維材料必須要有比矽好的電流傳輸特性，才能說服工業界改變花費數千憶設備的製程。我們以物理觀點，以第一原理電腦模擬計算方式建立結構，引導實驗駔設計實驗去驗證理論。希望能為兆元產值的半導體工業設計出革命性的新形態二為電晶體。

Molecular electronics and thermoelectric quantum devices

I study atomic and molecular junctions as ultimate-limit electronic and thermoelectric devices. Research topics include single-molecule field-effect transistors, thermoelectric power generators, atomic-scale refrigerators, Peltier cooling, Thomson effects, spin-dependent thermoelectric transport, and current-driven molecular motors.

分子電子學: 元件微小化的極致與新型態的原子尺度的奈米元件

摩爾定律(Moore‘s law）預測積體電路的電晶體數目，每隔18個月便會增加一倍。隨著電晶體越做越密，元件也越做越小。然而電子元件縮小化的極限便是單分子所構成元件。在單分子元件中，每一顆原子的貢獻都很重要，電子的行為不再是半古典而是量子力學。我們在非平衡態密度泛函計算架構下，已發展出一套程式，計算帶電流的波函數。以此為基礎，可以計算電流、電流風力、Seebeck係數、電子熱導、侷域熱生成、電聲子交互作用、量子噪音等。我們可以應用該程式研究新型態的元件，例如:分子馬達 (圖一)、原子致冷機(圖二)、用熱而非電自我驅動的電晶體等。

Bio-inspired electronics, Ni-DNA devices, and memcomputing

In collaboration with experimental groups, I investigate DNA-based devices chelated with nickel ions as bio-inspired systems for memristive, memcapacitive, and thermoelectric functions. These systems provide a platform for memory-computing concepts, neuromorphic artificial intelligence, and dynamic redox-assisted thermoelectric energy conversion.

(1) 憶電腦與人工智慧:

近年來，憶電腦(memcomputing)的概念頗受關注。傳統的電腦是建構在馮諾伊曼架構(Von Neumann architecture)下。該傳統架構將儲存裝置與中央處理器分開，依此設計出儲存程式型電腦。von Neumann電腦的計算速度卡在在儲存裝置與中央處理器間的大量資料傳輸不夠快的瓶頸。

而憶電腦是以記憶體作為基本運算單元的新電腦架構。憶電腦的基本組成單元是憶阻器(memristor)、憶容器(memcacitor)與憶感器(meminductor)。在憶電腦的架構下，運算與記憶是在同一單元上進行，因此避開了von Neumann電腦的儲存裝置與中央處理器間資料傳輸的瓶頸。憶電腦的架構接近人腦的運作方式。

我們人工智慧的研究是在憶電腦的計算架構下，以DNA示範作為憶阻器、憶容器與憶感器的仿生電子學。本研究是和UCSD的Prof. Di Ventra合作，結合本校生科系與電物系老師製作DNA元件。我們實驗室則負責理論機制與模型的建立，初期結果，理論與實驗符合。我們將進一步以DNA建立類神經網路，模擬人腦的計算的人工智慧。圖二是我們早期的研究成果，利用NDA上所嵌入的二價與三價鎳離子態儲存資訊，示範利用Ni-DNA憶阻器特性作為記憶體的讀、寫與抹去的操作過程。

(2) 向生命學習的高效率熱電效應

熱電效應是熱能與電能之間的轉換機制。將熱電發電機倒轉，即成為熱電效應的電冰箱(制冷機)。和光電效應將光能轉變成電能類似，熱電效應可以利用溫度差，將沒有用的廢熱轉變成有用的電能。所以熱電也是綠能的一種。熱電效應的強弱可以用Seebeck 係數描述，Seebeck 係數是單位溫度差所產生可驅動電流的電位差。

生命的的運作是大自然的傑作，其機制充滿上帝的智慧。例如，螢火蟲可以發出冷光，其發光效率非常高，遠高於白熾燈泡僅10%的發光效率。DNA不僅有憶電腦與人工智慧上的應用，另一方面也可以作為熱電發電機。DNA系統的熱電運作的機制和傳統的固態物理熱電材料運作的物理機制完全不同，是傳統材料前所未見的熱電轉換機制。Ni-DNA的Seebeck係數可以隨溫度變化的快慢改變大小。利用NDA上所嵌入的二價與三價鎳離子態的動態變化，我們發現Ni-DNA的Seebeck係數和溫度變化的速度有關，當溫度變化劇烈時，鎳離子氧化態與還原態的動態變化的速率也劇烈，導致Seebeck係數變大，遠高於一般固態熱電材料的10-100 μV/K，甚至可以超過3000 μV/K。